完美匹配：降壓變換器功耗以及如何提高效率

當(dāng)今電源 IC的高度發(fā)展要求性能卓越的功率電感。構(gòu)建通用封裝的標(biāo)準(zhǔn)電源將有助于減少設(shè)計(jì)時(shí)間和生產(chǎn)成本。 而要在 PCB 空間以及散熱和成本效率方面實(shí)現(xiàn)最佳性能，確定電感和 IC 之間的最佳匹配至關(guān)重要。

本文將探討在設(shè)計(jì)降壓（buck或step-down）變換器時(shí)哪些參數(shù)最重要，以及如何將其與可用的最佳電感配對(duì)。我們還將學(xué)習(xí)如何計(jì)算基本參數(shù)，并解釋開(kāi)關(guān)模式電源 IC 和電感的一些參數(shù)要求，包括紋波電流、電感 (L)、飽和電流 (ISAT) 和額定電流 (IR)。

當(dāng)今電子行業(yè)

近10 年來(lái)，消費(fèi)者越來(lái)越期望技術(shù)使他們的生活更輕松。與此同時(shí)，普通家庭的電子產(chǎn)品數(shù)量也在增加。不斷增多的連接和電子設(shè)備選擇意味著這些設(shè)備必須更加高效才能保持競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)電源設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，要支持消費(fèi)者在電子產(chǎn)品使用方面的這些轉(zhuǎn)變，最佳方法就是使用具有高性能部件的降壓變換器，將電壓輸入轉(zhuǎn)換為必要的電源軌。

降壓變換器是最常見(jiàn)的電源拓?fù)?。其主要組件包括輸入和輸出電容器、開(kāi)關(guān)（例如 MOSFET）和電感。這些設(shè)備的目標(biāo)是調(diào)節(jié)輸出電壓。而上下管MOSFET只有與穩(wěn)壓器結(jié)合使用時(shí)才會(huì)發(fā)揮作用，它們會(huì)形成一個(gè)集成的降壓穩(wěn)壓器 IC。

選擇具有最佳電感的恰當(dāng)IC 并不是很困難。要成功選擇與降壓變換器配合良好的電感，以避免過(guò)多功耗并提高效率，最關(guān)鍵是注意一些設(shè)計(jì)參數(shù)。

降壓變換器功耗與效率基本原理

通過(guò)降壓變換器及其基本部件的功能框圖，我們可以清楚了解哪些組件有助于提高效率，以及哪些參數(shù)應(yīng)予以考慮（見(jiàn)圖 1）。

圖1:降壓變換器基本原理圖

如果分解降壓變換器的效率和功耗，我們可以看到對(duì)功耗和效率影響最大的是 MOSFET 和電感，靜態(tài)電流和可調(diào)電阻則貢獻(xiàn)不多（見(jiàn)圖 2）。

圖 2：帶MPL-AL6060-150 15μH 電感的 MPQ4572 MPQ4572 降壓變換器效率曲線

圖 3 顯示了帶 2A 負(fù)載的 24V 至 5V 降壓變換器效率分解圖。電感和 MOSFET 貢獻(xiàn)了870mW的功耗，而靜態(tài)功耗僅在總功耗上增加了900μW。為了實(shí)現(xiàn)最高效率并避免浪費(fèi)能源，我們必須確保將最先進(jìn)的開(kāi)關(guān)元件與高性能電感相結(jié)合。

圖3: 降壓穩(wěn)壓器的效率分解圖

電感量(L)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通常建議以 30% 至 40% 的紋波電流開(kāi)始設(shè)計(jì)變換器。首先用公式 (1)計(jì)算出標(biāo)稱電感 (L)：

$$L = (1-DC) times left(frac {V_{OUT}} {f_{sw times Delta I_{L}}}right)$$

其中 DC 為變換器占空比，VOUT為輸出電壓，fSW 為開(kāi)關(guān)頻率，而?IL 為紋波電流。在本例中，輸入電壓為 24V，輸出電壓為 5V，紋波電流為800mA（平均 2A 負(fù)載），開(kāi)關(guān)頻率為 500kHz。 根據(jù)這些數(shù)值，我們可以計(jì)算出典型電感值為 9.89μH。

紋波電流(?IL )

紋波電流 (?IL) 是疊加在平均負(fù)載電流上的低頻交流電流量，它流經(jīng)主功率電感并為輸出電容器 (COUT) 充電。紋波電流可以通過(guò)等式 (2) 來(lái)估算：

$$Delta I_{L} = (1-DC) left(frac{V_{OUT}}^{times L}}right)$$

圖 4 展示的重要設(shè)計(jì)參數(shù)包括峰值電流 (I說(shuō) 說(shuō)) 和平均電流 (IAVG)。平均電流是我們系統(tǒng)的預(yù)期負(fù)載電流，它與降壓變換器的輸出有關(guān)。紋波電流 ((?IL) 的一半被添加到平均負(fù)載電流上，形成峰值電流。對(duì)一個(gè)成功且高效的降壓變換器設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，其電感飽和電流 (ISAT) 必須超過(guò)峰值電流。

圖4: 平均負(fù)載電流上的紋波電流

圖 5 顯示了一個(gè)經(jīng)優(yōu)化的 24V 至 5V 降壓變換器示例，該變換器采用了MPS 的MPQ4572 MPQ4572和一個(gè) 15μH電感 (MPL-AL6060-150)。其紋波電流圍繞 2A 負(fù)載電流振蕩，具有完美的三角波形。

圖 5：24V 降壓變換器的電感電流（藍(lán)色）和開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓（黃色）

飽和電流(ISAT)

現(xiàn)代電感中使用的鐵磁材料具有的物理特性是，匝數(shù)越多和電感 (L) 越高，飽和電流 (ISAT) 就越低。 圖 6顯示了一個(gè)典型的ISAT曲線圖。從中我們可以預(yù)期在 2A 負(fù)載電流下的有效電感為 13μH。

圖6: 飽和電流（ISAT）與電感電流（IL）之間的函數(shù)關(guān)系

當(dāng)流過(guò)電感的電流增加時(shí)，電感會(huì)降低，作為一個(gè)電源設(shè)計(jì)人員，記住這一點(diǎn)很重要 。 溫度升高會(huì)降低有效電感。 根據(jù)電感中使用的技術(shù)、結(jié)構(gòu)和材料，飽和電流曲線可以穩(wěn)定至高達(dá)幾安培。

由于高效電感具有軟飽和特性，且降壓變換器IC 具有峰值電流限制等保護(hù)功能。 因此電感不可能選錯(cuò)。即使電感過(guò)高或過(guò)低，我們?nèi)匀豢梢缘玫胶侠淼慕Y(jié)果。但是，飽和電流留有足夠的裕度很重要，因?yàn)樵６炔蛔銜?huì)導(dǎo)致系統(tǒng)效率低下，而較低的飽和電流會(huì)導(dǎo)致電感電流出現(xiàn)尖峰（見(jiàn)圖 7）。

圖 7：飽和電流過(guò)低的電感電流（藍(lán)色）和開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓（黃色）

額定電流(IR)和直流電阻(RDC)

另一個(gè)需要考慮的重要參數(shù)是額定電流 (IR)。 請(qǐng)記住，隨著電感的增加，額定電流 (IR) 會(huì)降低。再進(jìn)一步，我們可以直接使用平均負(fù)載電流來(lái)估計(jì)有效溫升 (?T)。

由于銅繞組內(nèi)部的直流損耗，溫升與自熱直接相關(guān)。 這意味著直流電阻越低，自熱越低，電感的額定電流（IR）就越高。

在較小的封裝尺寸中，構(gòu)成電感線圈的漆包銅線直徑也很小。這會(huì)導(dǎo)致較高的直流電阻、直流損耗和較低的IR。因此，在封裝尺寸和額定電流之間選擇一個(gè)好的折衷方案，對(duì)于成功設(shè)計(jì)降壓變換器非常重要。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，平均工作條件下，20°C 至 30°C 的溫升是較為可靠的起點(diǎn)（見(jiàn)圖 9）。另外，要保證EMC性能，PCB上的元件需要非常小，這樣才能讓熱回路也更小。

圖9: 額定電流曲線圖

匹配電感和降壓穩(wěn)壓器以獲得最佳效率

現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了基本原理，要實(shí)現(xiàn)降壓變換器的最佳效率，我們需要選擇彼此性能匹配的一個(gè)穩(wěn)壓器 IC 和一個(gè)電感。 如果忽略電感的交流損耗和 MOSFET 的轉(zhuǎn)換損耗，則可以關(guān)注直流功耗。

任何導(dǎo)體的功耗 (P失 失) 都可以用公式 (3) 來(lái)計(jì)算：

$$P_{失 失} = I^2 times R_{DC} $$

由于MOSFET 有開(kāi)有關(guān)，因此開(kāi)關(guān) MOSFET 的傳導(dǎo)損耗并不總是在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)累加。 當(dāng)上管MOSFET (HS-FET) 導(dǎo)通時(shí)，其功率損耗要乘以占空比 (DC) 。通過(guò)比較電感的直流電阻 (RDC) ) 與MOSFET 的導(dǎo)通電阻RDS( ON)，我們可以取RDS( ON)的分?jǐn)?shù)進(jìn)行匹配。(RDC) ) 和(DC x RDS( ON))應(yīng)彼此接近。它們不需要完全相等，但在差值非常接近時(shí)（1mΩ以內(nèi)），我們可以得到很高的效率。

例如，對(duì)于 24V 到 5V 的轉(zhuǎn)換，占空比為VOUT/ 五IN = 0.208，這意味著 HS-FET 僅在 20.8% 的時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)電感電流。 也意味著傳導(dǎo)損耗僅占總傳導(dǎo)損耗的 20.8%。但是，下管MOSFET (LS-FET) 以 79.2% 的占空比傳導(dǎo)電感電流，即在大多數(shù)情況下都處于導(dǎo)通狀態(tài)。 這就是為什么大多數(shù)現(xiàn)代降壓穩(wěn)壓器都具有不同的MOSFET上下管開(kāi)關(guān)比。

為了最大限度地降低損耗并實(shí)現(xiàn)尺寸、性能和成本之間的最佳折衷，首先需將電感的直流電阻與 MOSFET 的 RDS( ON)比率進(jìn)行匹配。

由于現(xiàn)代降壓變換器的導(dǎo)通電阻范圍從數(shù)十到數(shù)百 mΩ，因此，采用圓形或扁平銅線以及模塑鐵氧體化合物的小型高導(dǎo)電功率電感，可以相匹配獲得最佳性能。

結(jié)論

市場(chǎng)上有大量不同的電感，因此匹配合適的電感和降壓變換器將是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。即使需要在尺寸、效率和成本之間做出妥協(xié)，但總有一款電感可以滿足我們最終應(yīng)用的技術(shù)和環(huán)境要求。

現(xiàn)代降壓穩(wěn)壓器 IC 和模塑功率電感都具有數(shù)十毫歐范圍的直流電阻和傳導(dǎo)電阻。確保所有電阻都在同一范圍內(nèi)將有助于在尺寸和效率之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡。較大的封裝電感和 MOSFET 通常有助于降低功率損耗。然而，在一定的尺寸下，成本和 PCB 空間會(huì)迅速增加而無(wú)法顯著提高性能。 因此，針對(duì)必要的飽和電流 (ISAT)、額定電流 (IR)、電阻 ((RDC)) 和導(dǎo)通電阻 (RDS( ON)) ，通過(guò)合理的努力實(shí)現(xiàn)功率電感與降壓變換器的最佳匹配，這是獲得最佳性能的一種快速簡(jiǎn)便的方法。

審核編輯：湯梓紅